Ulige-kronbladstilstande og vedvarende strømme i spin-kredsløbskoblede Bose-Einstein-kondensater

Kvanteverdenen er både elegant og mystisk. Det er en eksistensfære, hvor fysikkens love, der opleves i hverdagen, er brudt - partikler kan eksistere to steder på én gang, de kan reagere på hinanden over store afstande, og de virker selv forvirrede over, om de er partikler eller bølger. For dem, der ikke er involveret i feltet, denne verden kan virke ubetydelig, men for nylig, forskere fra Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har teoretisk beskrevet to kvantetilstande, der er ekstraordinære i både den fysik, der definerer dem og deres visuelle appel:et komplekst kvantsystem, der simulerer klassisk fysik og en tryllebindende halskæde-lignende tilstand . Deres undersøgelse er offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang A .

Jakten på disse stater begynder med en doughnut, eller hellere, en donutformet beholder, der huser et roterende supervæske. Denne supervæske, som er en væske, der bevæger sig uden friktion, er lavet af Bose-Einstein-kondensater (BEC'er) omfattende partikler uden ladning, der afkøles til næsten nul grader kelvin, en temperatur så kold, at den ikke findes i universet uden for laboratorier. Ved denne temperatur, partikler begynder at udvise mærkelige egenskaber - de klumper sig sammen, og til sidst ikke kan skelnes fra hinanden. Træde i kræft, de bliver en enkelt enhed og bevæger sig dermed som en.

Da denne hvirvlende BEC -superfluid fungerer i en kvanteskala, hvor små afstande og lave temperaturer hersker, de fysiske egenskaber ved dens rotation er ikke dem, der ses i den klassiske verden. Overvej en far, der svinger sin datter rundt i en cirkel ved armene. Klassisk fysik kræver, at barnets ben bevæger sig hurtigere end hendes hænder rundt om cirklen, da hendes ben skal rejse længere for at lave en fuldstændig drejning.

I kvantefysikkens verden er forholdet det modsatte. "I en superfluid ... ting, der er meget langt væk [fra midten], bevæger sig virkelig langsomt, der henviser til, at ting [der] er tæt på midten bevæger sig meget hurtigt, "forklarer OIST -professor Thomas Busch, en af ​​forskerne involveret i undersøgelsen. Dette er, hvad der sker i den superflydende doughnut.

Ud over, supervæsken inden i donuten viser en ensartet densitetsprofil, hvilket betyder, at den fordeles jævnt rundt om donuten. Dette ville være det samme for de fleste væsker, der roterer via klassiske eller kvante regler. Men hvad sker der, hvis der tilføjes en anden type BEC, en, der er lavet af en anden atomart, og som ikke kan blandes med den originale BEC? Ligesom olie og vand, de to komponenter vil adskilles på en måde, der minimerer det område, de berører, og danner to halvcirkler på modsatte sider af donutbeholderen.

"Den korteste grænse [mellem komponenterne] er i radial retning, "Dr. Angela White, første forfatter på undersøgelsen, forklarer. De to komponenter adskiller sig i forskellige halvdele af donuten langs denne grænse, som skabes ved at passere gennem dejnøddenes radius. I denne konfiguration, de vil bruge mindre energi til at forblive adskilt, end de ville via nogen anden.

I det ublandbare, eller ikke blandbar, konfiguration vist i figur 1, kvanteverdenen overrasker. Da grænsen mellem de to superfluider skal forblive justeret langs den radiale retning, superfluidet til stede ved denne grænse skal rotere som et klassisk objekt. Dette sker for at bevare den lavenergitilstand. Hvis superfluiderne ved grænsen fortsatte med at rotere hurtigere på indersiden, så ville de to halvcirkler begynde at sno sig, forlænge den linje, der adskiller dem, og dermed kræver mere energi at forblive adskilt. Resultatet er en slags klassisk fysik -mimik, hvor systemet ser ud til at hoppe ind i det klassiske rige, lettes af kompleks kvantemekanisk adfærd.

På dette tidspunkt, superfluid doughnut har nået sin første ekstraordinære tilstand, som er en, der efterligner klassisk rotation. Men der er endnu et trin, der er nødvendigt for at omdanne dette allerede forfærdelige system til halskædenes slutmål:spin-orbit-kobling.

"På en meget abstrakt måde, [spin er] bare en ting, der har to mulige tilstande, "Busch forklarer." Det kan være på denne måde, eller det kan være på den måde. "For dette eksperiment, som involverer partikler, der ikke har ladning, eller intet spin, forskerne "falsede" et spin ved at tildele en "den eller den" egenskab til deres partikler.

Når partiklerne kobles på basis af denne egenskab, de to halvcirkler inden i donuten brydes i flere skiftende dele, danner således halskædekonfigurationen (figur 2). Ved at grave videre i dens sammensætning, forskerne fandt ud af, at antallet af "perler" i halskæden afhænger af styrken af ​​spin-orbit-koblingen og, mere overraskende, at der altid skal være et ulige antal af disse perler.

Forskere har forudset kvantehalskæder før, men de var kendt for at være ustabile - ekspanderede eller forsvandt til glemsel kun kort tid efter at de blev skabt. I denne teoretiske model, OIST -forskerne mener, at de har fundet en måde at skabe en stabil halskæde på, en der ville give mere tid til at studere den og værdsætte dens raffinerede majestæt.